《关节生物力学课件.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《关节生物力学课件.pptx（121页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、关节生物力学,第一节 关节的基本结构与功能,一、关节的基本结构,关节的主要结构,关节面,关节囊,关节腔,关节的辅助结构,韧带,关节内软骨,关节盂缘,关节静止不动，滑液会胶化凝固，所以，运动之前应作适当准备活动，使关节“活动开”。,二、关节的运动和轴,屈伸内收外展旋转环展,三、关节的灵活性和稳固性,灵活性和稳固性是关节功能同时存在的两个方面。,利于关节灵活的结构：关节腔，关节面软骨、关节腔内的滑液、关节皱襞、粘液囊,利于关节稳定的结构：关节囊、韧带、关节软骨、关节腔内的负压,其他使关节稳定的结构：骨骼、肌肉,第二节 髋关节的生物力学,解剖学概念,正常 髋内翻 髋外翻,正常 骨盆前移 骨盆后移,运
2、动范围,正常运动范围前屈0145，后伸030外展030，内收025外旋090，内旋070外旋后外展0160,正常生活最少运动范围前屈120外展20外旋20，内旋20,关节面运动,髋关节的面活动可认为是股骨头在髋臼上的滑动。球与窝在三个面上的枢轴转动，环绕股骨头中心的活动，产生关节面的滑动。若股骨头不平整，滑动就不能与关节面平行或正切，关节软骨也将受异常挤压或牵伸。,动力学静力学,两下肢于站立位时，身体的重力线通过耻骨联合的后侧。由于髋关节是一个稳定的关节，不需肌肉收缩来达到直立状态，只需关节囊和关节韧带就能起到稳定作用。若在髋关节周围不需有肌肉活动所产生的力矩，则关节反应力的计算可变得很简单。
3、在站立位，每一个股骨头所承受的力为人体重量的一半。由于每个下肢的重量是体重的16，每一髋关节的反作用力将是剩余的23体重的一半，即整个体重的13。若髋关节周围肌肉收缩以防止摇晃和保持身体于直立位，即持续于站立位则髋关节所承受的力与肌内活动量将成正比的增加。,若一个人自两足站立改为一足站立，身体的重力线将在所有的三个面上移动，髋关节周围产生的力矩必须有肌力来抗衡也将增加关节的反作用力。力矩的大小，即关节反作用力的大小取决于脊椎的姿势、非负重下肢和上肢的位置、特别是骨盆的倾斜度。1960年Rydell作了人体试验证明，单腿站立时作用在股骨头上的力为2.6倍体重。慢步行走时为1.6倍体重，在跑步时作
4、用在股骨头上的力约力5倍体重。,对单腿站立时股骨头受力情况再做一粗略计算。 设作用在股骨头上的力为T。为了维持骨盆的水平位置，需外展肌力来平衡。外展肌力Fm与水平轴大约为60角。肌力臂dM与体重力臂dG之比为1：2到1：3.5，若取1：3.0，在除去一条支持腿时，体重bW5/6W，如人体重为660N， 则bW550N,由力矩平衡有：,即：,由力平衡有：,由于dM和dG之不同，可以得出不同结果。如假设dG不变，而由于股骨的颈干角之不同也直接影响到dM的数值。一般的颈干角为125左右。如大于125时，则dM减小，从而外展肌力增大，如小于125时，则dM增大而减小肌力。,从上述可以看出，要减少外展肌
5、力，也可以使dG力臂减小。也就是说体重(除去支持腿)重心尽可能靠向病腿髋关节。例如当外展肌受损或麻痹时，不能提供平衡用肌力，此时病人只好把人体重心(除去支持腿)置于股骨头中心的正上方，在这种情况下，就显出所谓：“馈病”步态，即将身体倾斜到肌肉受损的一边。长期处于这种“馈病”步态，由于股骨头承受垂直向下的力，从而引起骨端软骨板的位移，骨将向上方生长，形成“外反股”病态，为了避免这种情况，可借用手杖来减小外展肌力。,设手杖离股骨头中心为do50cm，手杖作用力FC100N G5/6W550N dG0.15m，dM=0.05m则依杠杆平衡有： Fm0.05-1000.5+550O.150解得外展肌力
6、 Fm=650N 接近体重(660N),另外，减少髋关节负荷最简单的方法是减轻体重。体重每减少1kg，单腿站立时髋关节承受的静力可减少近3kg。,上述计算只在额状面内的粗略计算，而且还没有考虑到动态加速度的影响，就是在静态情况下，其它二面内也受有力。例如病人在床上平抬大腿小腿时，在矢状面内髋关节就受有前屈肌群(髂腰肌等)的拉力。假设前屈肌群作用力的合力距股骨头中心为5cm。有的情况比这个距离还小。其外力只考虑下肢的重量，据解剖学知单腿重约为体重的1/6，如体重为660N则单腿重力110N，其重心在距股骨头中心40cm处。,差不多等于体重660的1.3倍，从解剖得知，这个力臂比值可达15：1，这
7、样肌力要更大，上述近似计算与Rydell的试验数值接近。 上述计算肌力，只是在腿刚刚离床而还未抬起时最大受力情况，当腿越抬越高，由于下肢重心距股骨头中心也越来越小，则肌力也就随之下降了。,-G0.40十Fm0.050,数据代入,-1100.40十Fm0.05O,求得肌力,Fm880N,取杠杆平衡有,在一个步态周期内，行走时出现的体重单位的髋关节反应力,在男性，当外展肌收缩来稳定骨盆时，在站立相可产生两个顶峰力。一个顶峰是刚在后跟着地时，达体重的4倍；另一个在足离地以前，可达体重的7倍。足放平时，关节反应力降至接近体重，因为重心迅速减速。在摆动相时，关节反应力受伸肌收缩的影响，使大腿减速，幅度仍
8、保持于较低度，约与体重相等。 在女性，力的模式基本相同，仅幅度略低，在站立相后期，幅度仅达到体重的4倍。 女性的低关节反应力幅度可能继于以下几个因素：女性骨盆较宽、股骨颈干角的倾斜度不同、鞋不同和步态模式不同。,髋部疲劳性骨折,经常活动的64岁退休男性为准备马拉松赛跑而改变了训练方式，关节超负荷而导致股骨颈疲劳性骨折。,在日常生活中髋关节负荷可高可低,从矮椅子站立时的负荷约等于体重8倍。拐杖用在患肢同侧时髋关节负荷约等于体重的3.4倍。拐杖用在患肢对侧时髋关节负荷约等于体重2.2倍。,第三节 膝关节的生物力学,一、运动学,（一）运动范围胫股关节矢状面：0140,冠状面： 在膝完全伸直时由于产生
9、扣锁机制而不能旋转。当膝屈曲时，旋转范围随着增加，待屈至90时，旋转可达到最大程度，在这位置，外旋可自045，内旋可自030。超过90膝屈曲，内旋和外旋幅度又将减小，这主要是受到软组织的限制。,在额状面上的活动外展和内收同样受关节屈曲度的影响。在完全伸直时，额状面上的所有活动几乎完全消失。当膝屈至30时，被动的外展和内收会有所增加，但最大仅有数度。若膝屈曲超过30，额状面的活动又将减少，这也是由于软组织限制其活功。,髌股关节,自完全伸直至完全屈曲，髌骨在股骨髁处向下滑动约7cm。股骨的内髁与外髁在完全伸直和90屈曲时，均与髌骨连接。超过90，髌骨外旋，只有股骨内髁与髌骨连接。在完全屈曲时，髌骨
10、沉人髁间沟内。,（二）膝关节屈伸运动的轴,瞬时转动中心：转动环节瞬间速度为零的点,屈伸运动轴是由股骨髁的形状和关节的运动形式所决定的。股骨髁不是圆形的，在前部略成扁平，在后部近似圆形，前部之曲率半径较大，而后部之曲率半径较小，最前方的半径与最后方的半径比为9：5。,（三）膝关节的滚动与滑动,滚动是指移动部分的等距离的点与静止部分等距离的点相互接触，构成滚动运动。滑动是指关节运动的一端在移动时，这一端上的许多点与相对面静止一端的某一点相接触。,纯滑动（pure sliding）：股骨在胫骨上转动时，接触点没有变化。纯滚动（pure rolling):股骨在胫骨上转动时，接触点时刻变化。胫股关节运
11、动：滚动滑动,股骨髁上1与2两点间，与胫骨髁的接触点是等距离的，这种运动形式是滚动。股骨髁自3以后至8这许多点，在与胫骨接触时仅与胫骨上一点3相接触，因此所形成的运动是滑动，但是股骨髁上的3点并不与胫骨髁上的3点相对应，这说明在滑动中还兼有少量的滚动。一般认为膝关节从180160是滚动，而从160到完全屈曲则主要是滑动。滚动较滑动的运动稳定。,从完全伸直至完全屈曲的每一个运动间隔，正常膝关节上的线与胫骨面呈正切，表明股骨在胫骨髁上的滑动。,确定胫股关节的瞬时转动中心后，在每组重叠的X线片上，可确定胫股关节面的接触点(关节节间隙的最窄点)，将这点与瞬时转动中心画一条连线。,与这条线画一条垂直线，
12、表明接触点的变位方向。,半月板桶柄式紊乱的异常即刻行程,若膝关节保持勉强活动，它会逐渐适应这种变位瞬时中心的环境，或牵拉韧带及其他支持的软组织，或在关节上施加异常高压。,如果膝关节在不正常的瞬时中心上屈伸，胫股关节面不会在运动范围内有正切滑动，而是被拉开或挤压。,（四）膝关节的扣锁机制(Mechanism of Screw Home),当膝关节伸直至最后20时(即160180)，股骨发生内旋，胫骨相对外旋，每伸直1约有0.5股骨内旋，当完全伸直时，这一旋转活动也最终完成，这一过程有如旋紧螺丝钉之最后动作故称之为扣锁机制。在扣锁机制完成以后，膝关节非常稳定，这时，股骨髁与胫骨髁的负重面最大，负重
13、压力也最大，膝关节不发生旋转及侧方活动。扣锁机制的完成主要靠股骨髁的解剖形状，而韧带与肌肉的作用适合于这一过程的完成。,Helfet测试验证“锁定”机制是否完整,(A) 正常膝屈曲90，胫骨粗隆与髌股的内半侧排列成一条直线。(B) 当膝完全伸直时，胫骨粗隆与髌股的外半侧排列成直线,二、动力学,上楼时静力学分析,此例所计算的只是关节反力的最小值。若考虑到其他肌力，如稳定膝关节时腘绳肌收缩所产生的力，关节反力还会增大。,作用在下肢主要有三个力：,地面反作用力W(已知大小、方向、作用点)；,髌韧带力P(已知方向、作用点，未知其值大小）；,关节力J(已知作用点位置，未知数值大小、方向)。,如已知W，力
14、P3.2W，则由力三角形求得J4.1W。,小腿登上楼梯时的分离体图,由于小腿的重量小于体重的1/10，在此忽略小腿的重量。,动态力学分析,在作动力分析时，除了静力分析中所要考虑的诸因素之外，还要考虑两个因素：（1）所研究的那部分身体的加速度。（2）该部分身体的转动惯量。,动力活动时计算某一特定瞬间作用在关节上力的最小值，可按下述步骤进行： 1. 确定产生力的解剖结构。 2. 确定身体运动部分的角加速度。 3. 确定身体运动部分的转动惯量。 4. 计算作用在关节上的力矩。 5. 计算加速那部分身体的主要肌力值。 6. 计算特定瞬间的关节反力值。,MI力矩转动惯量角加速度MFd力矩力力臂,例：踢球
15、时下肢力学分析,踢球时小腿最大瞬时角加速度为453rad/s2，小腿转动惯量为0.35Nm2。 则力矩 M4530.35158.5Nm 已知人的髌腱到胫股关节瞬时转动中心的距离d为0.05m 则 FM/d158.5/0.053170N 此为踢球运动时由股四头肌施加的最大力值 已知髌腱力、小腿重力后，可根据静力平衡原理推知胫股关节面反作用力。可发现此力只略小于髌腱力。,从计算中可以明显看出，在动力状态下，影响关节力大小的是身体部分的加速度和它的转动惯量。增加身体部分的角加速度，将使关节力矩按比例增加。虽然在身体内转动惯量是由解剖学决定的，但可受到外部力操纵。例如，对膝伸肌进行康复锻炼的过程中，在
16、足上穿一重靴，它的转动惯量就会增加。正常情况下，当膝由屈曲90到完全伸直时，关节反力约为体重的50。体重70公斤的人，这个力约为350牛顿。如果足穿一10公斤重的靴，由于转动惯量的增加，将使关节反力增加1000N，所产生的关节反力是没有穿重靴时的4倍。,足跟着地瞬间，关节反力约为体重的23倍，并与腘绳肌收缩有关。腘绳肌对膝有减速和稳定效应。膝屈曲位站立相开始时，关节反力约为体重2倍，并与股四头肌收缩有关，股四头肌防止膝压曲。关节反力峰值发生在站立相后期足尖离地前。该力约为体重的24倍。在摆动相后期，腘绳肌收缩引起的关节反力约等于体重。,步态周期中，关节反力从外侧胫骨平台移向内侧。在站立相，当出
17、现峰值力时，主要由内侧平台承受；在摆动相，当力很小时，主要由外侧平台承受。胫骨内侧平台的接触面积约比外侧平台大50。内侧平台上的软骨也比外侧平台的厚3倍。内侧平台有较大的尺寸和厚度能使它更易于承受加于其上的较高的力。,三、髌骨功能,髌骨为膝提供二个重要的生物力学功能：它在整个运动范围内借延长股四头肌力臂来帮助膝伸直，并以增加髌骨与股骨间的接触面来改善股骨上的压应力分布。,完全屈曲时，髌骨在髁间窝内，股四头肌腱的前移很小，对股四头肌力臂长度所起的作用最小(约为力臂总长度的10)，当膝伸直时，髌骨从髁间窝中抬起，产生显著的肌腱前移。在伸直到45时，股四头肌力臂长度迅速增长，此时，髌骨延长力臂约30
18、。,在膝由完全屈曲到完全伸直时，髌骨对股四头肌力臂长度所起的作用也在改变。,膝继续伸直，股四头肌力臂长度稍有减少。在伸直最后45时，随着力臂长度的减小，四头肌为保持相同的膝力矩必须施加较大的力。膝伸直最后15时，股四头肌力需要增加大约60。,在切除髌骨的膝中，髌腱比正常膝更靠近髌股关节的瞬时中心。由于髌腱作用在更短的力臂上，在伸直最后45时，要保持膝上正常所需的力股四头肌必须产生更大的力。切除髌骨的膝在完全主动伸直时，所需的四头肌力比正常膝约大30。对四头肌这种增加的要求在某些病人中可能超过股四头肌的能力，这对有关节内疾病或年龄较大的病人，更为明显。,正常膝,髌骨切除后,髌股关节动力学,当膝屈
19、至5时，髌腱（P）和股四头肌腱(Q)之间的角度为35；待屈至90时，两腱形成的角将为80。这是用两根金属丝放在肌腱上，拍摄X线片所量得的角度。髌股关节反作用力（J）为髌腱(P)和股四头肌腱(Q)两个等力的合力。由于膝的更大屈曲，这两个力的组成之间的角将更呈锐形，从而关节反作用力的合力将变得更大。,膝屈至90时所显示的髌股关节反应力和股四头肌力,一位30岁的篮球运动员在跳高落下时膝关节发生了一个强力的屈曲。股四头肌的强烈离心收缩在髌骨上产生了异常的高张力负荷。在这种情况下，股四头肌的肌力大于髌骨的骨性强度，因此发生了髌骨骨折。髌骨是最弱的连接处。该图显示了髌骨骨折同时伴随的由于股四头肌牵拉力导致
20、显著的骨折分离。,四、半月板,半月板的作用,在受载状态下，胫股关节在去除半月板后所受的应力比有半月板的高3倍。,半月板的作用,增强关节的稳定性；避免周围软组织被挤入关节；富有弹性，能缓冲重力，吸收震荡减少摩擦，散布滑液，润滑关节。,当膝关节伸直时，半月板被股骨髁推挤向前活动，膝关节屈曲时，向后活动。膝关节旋转时，两半月板一个向前，一个向后。膝屈伸时，股骨内外二髁活动于半月板的上面，膝旋转时，半月板固定于内外髁的下面，其转动发生在半月板下面与胫骨平台之间。因此，半月板的破裂多发生于板的下面。旋转活动为造成半月板破裂的主要原因。,半月板损伤的机制,半月板与十字韧带以及与其周围的关节囊、韧带、肌腱的
21、密切联系，半月板的前后角附着于胫骨上，因此当半月板受到股骨髁与胫骨髁的挤压作用而变形或变位时由于受到关节囊、韧带以及其他连结结构的牵拉作用，半月板有恢复到原来正常位置的弹性趋势，在不正常的屈伸运动或旋转运动时，半月板不能恢复到正常的位置，又抵抗不了周围结构的牵拉应力，从而可以发生撕裂。,损伤类型, 半月板周围结构对半月板的牵拉作用，可以使之撕裂，如半月板凹形内侧线之横裂。 股骨髁与胫骨髁的冲击作用可以使半月板发生纵行撕裂，并使撕裂部向髁间凹部位移动。 屈膝位时的旋转活动发生于半月板与胫骨髁之间，旋转外力可以造成半月板的水平撕裂，或发生半月板胫骨面的磨损。,造成半月板损伤必须有三个条件： 膝关节
22、半屈位、挤压和旋转。,第四节 肩关节,肩关节是自肩至指尖的杠杆机械链上的第一个交联。从广义上来说，它是一组连接臂与胸的结构。四个关节，即盂肱关节、肩锁关节、胸锁关节和肩胛胸关节的联合与协同动作，可使臂置于最有效的空间位置。它的活动范围比任何一个关节都易达到最广泛的空间，肱骨的活动空间可超过半球。,一、运动学,肩关节复合体的四个连接的和谐节奏给予肩关节一个近似球形的运动幅度，其总和大于任何一个单纯连接所能获得的运动。脊椎的活动可使肱骨能达到的位置予以扩大。,1肩关节复合体的运动范围,前屈180，后伸60外展180，内收75水平前屈135，水平后伸45旋内旋外180手臂在体前3045位置时上抬 女
23、性有28，男性有4可超过180,2 四个肩连接的运动,在旋转时，臼内的接触点保持恒定；在臼内旋转时，只是球上的接触点有所变化（图a）在滚动时，每一个关节面上的接触点有等量变化(图b)。在位移时，球上的接触点保持恒定，而臼上的接触点发生变化(图c)。盂肱关节的表面运动主要是旋转，但也结合滑动和滚动。,灵活的盂肱关节表现为其表面运动属典型的杵臼关节，在这关节内，任何一个平面上可有三类表面运动，即旋转、滚动和滑动。,（1）盂肱关节,（2）肩锁关节,肩锁关节是锁骨远端和肩峰近侧的一个小的滑膜性连接。 关节由致密的纤维关节囊所包围，包括上肩锁韧带和下肩锁韧带。 关节的稳定性主要来自喙锁韧带的两个部分，即
24、锥状韧带和斜方韧带，它们将肩胛骨悬挂于锁骨上。这些韧带可使肩胛骨在锁骨上按三个轴活动。,肩胛旋转的垂直轴通过锥状韧带,额面内水平轴，肩胛骨在额面内旋转的水平轴通过斜方韧带,矢状面内水平轴，肩胛骨在矢状面内运动的水平轴，通过肩锁韧带,锁骨与肩胛骨之间的运动范围,锥状韧带上的30旋转；斜方韧带上的60运动弧；肩锁关节在矢状面上横轴上的30运动弧。肩于外展和前屈时，肩锁关节上的锁骨抬举为20，主要是在开始活动时的臂抬举于30和最后的45。,（3）胸锁关节,是胸骨柄和锁骨近侧之间的滑膜性关节。肋锁韧带将锁骨固定于第1肋骨上，控制锁骨与胸骨柄之间的扁平关节面，成为肩关节活动时明显滑动的一个支点。,胸锁关
25、节在水平面的前伸、后缩，运动支点是肋锁韧带,胸锁关节在额状面的上升、下降，运动支点是肋锁韧带,锁骨绕其纵轴的旋转,胸锁关节的运动范围按上臂的不同面上的活动而异。上臂在额状面和矢状面上的抬举如为40，则在抬举开始时每抬举10锁骨将抬高4；若超过90，不再考虑锁骨在胸锁关节上的活动。沿锁骨纵轴的旋转幅度约为40,当锁骨伸展和回缩、抬举和下沉时，胸锁关节的活动与肩锁关节的活动恰相反，只有在旋转活动，两者是一致的。例如锁骨内侧端下沉时，锁骨的外侧端必然抬举；当锁骨外侧端伸展时，其内侧端必然回缩，而锁骨两端在旋转时则是一致的。,（4）肩胛胸关节,肩胛骨除肩锁关节和胸锁关节有连接外，它与胸壁没有骨性或韧带
26、性连接。这种不稳定情况犹如肩“挂在锁骨上”，以致肩胛骨可有很广泛的活动度。这些活动包括伸展、回缩、抬举、下沉和旋转。在前后方向，则按不同的轴而活动。,当上臂在额状面和矢状面上抬举(外展和前屈)时，约有23的活动(约120)发生于盂肱关节，其他13活动(约60)发生于肩胛胸连接处。,上臂在抬举开始的3060时，肩胛骨活动很不规则，好似有赖于肩胛的休息位置。以后盂肱活动与肩胛胸活动以2：1状态保持恒定。,在肩胛胸连接处的肩胛活动只可能有60，因为在锁骨两端的关节产生同等幅度的活动，20在肩锁关节，40在胸锁关节。,二、动力学,(1)由于盂肱关节缺乏坚实的稳定力，作用于肱骨的肌肉必须与其他肌肉协调配
27、合，才能防止在关节上产生脱位的力。,肩部肌肉及其作用肩部共有17块肌肉。肩关节动力学的内在复杂性是由于肩部有大量肌肉，以及其肌肉动作所产生的三个不同的作用。,由于肩关节活动将涉及大量的肌肉，要正确计算作用于肩关节复合体上的负荷是非常复杂的工作。,(2)肩关节存在多骨交接，如锁骨、肩胛骨和肱骨，单一肌肉可以跨越几个关节，在每一个关节上都能起作用。 例如背阔肌起于胸壁，止于肱骨，它跨越肩胛胸连接、胸锁关节、肩锁关节和盂肱关节。,(3)肩关节运动的广泛范围可造成肌肉作用的不同改变，取决于上臂在空间的位置。 例如肱骨在外旋时，肱二头肌长头成为肩外展的辅助肌肉，但在肩内旋时，就无此作用。,三、盂肱关节上
28、的负荷,计算肩关节上的受力情况，可简化为一杠杆系统。,手臂平抬，手臂重量为体重的120。设体重为600N，则手臂重为30N，设其重心作用在离肱骨头中心30cm处。为了平衡手臂的重量，假设肌力F。平行手臂并离中心3cm，依平衡原理,Fm0.03300.300,所以，Fm=300N在肩关节上产生反作用力T300N,四、肩关节脱位,肩关节脱位分前脱位和后脱位两种。以前者多见，多因间接暴力所引起。如当上肢外展、外旋及后伸时，手或肘部着地，暴力即沿肱骨纵轴向近侧端冲击，肱骨头突破关节囊前壁或自下方脱出，移位至喙突下或锁骨下方。 肩关节后脱位多为直接暴力从前往后打击肩关节，更多的是由于电击和癫痫发作的结果
29、；或由于肩周围肌群收缩不协调，造成关节猛烈内旋所致。,第五节 肘关节,肘关节复合体由三个分开的滑膜关节组成,肱尺关节：肱骨远端滑车和尺骨近端相反形状的滑车窝的连接关节。近侧尺桡关节：桡骨头和尺骨的桡侧切迹组成。肱桡关节：肱骨远端的小头和桡骨头相连。,一、运动学,屈伸范围：140146 当肘关节完全伸直，前臂完全旋后时，肱骨长轴和尺骨长轴成外翻角，又称为携物角或提携角。 在成人为1015 女性往往比男性大。,旋前：6871旋后：7488 （与测量方法有关）,肘的内外翻,肘内翻为肘的远端内移，使提携角小于正常，甚至消失变成负值。多由于肱骨髁上骨折复位不良或生长紊乱所致。不便于提携物品。,肘外翻为肘
30、的远端外移，使提携角大于正常。通常为骨折后生长紊乱所致。减弱了上肢的提携力量。,如果需要用肘作支撑动作，比如体操运动员支撑倒立，或木工用手推木刨等动作，则肘内、外翻畸形者不便于用力。手支撑地面或阻碍物时反作用力经肘上传，如果肘有内、外翻畸形，势必加重肘部负担，作用力产生侧向分力，引起肘关节不稳。严重的肘外翻，必然牵拉内侧的尺神经，在肘关节屈伸过程中，尺神经处于紧张状态下受到磨损，久之伴发尺神经炎，引起尺神经麻痹等症状。,当前臂屈曲某一角度时，肌肉力Fm(主要为二头肌及肱肌)可以分解为两个分力，一个力沿着前臂方向(S)压紧肘关节，起稳定作用，也称为稳定力；垂直前臂轴线的力为R，它起着前臂屈伸旋转
31、的作用，也称为旋转力。设肌力的作用点与肘关节之转动中心距离为dR(常数)。,二、动力学,从图中可以看出，当前臂屈曲角度不同，旋转力R大小也不相同，在屈曲接近90时，R最大。力R与屈曲角度并非成正比，而是非线性关系。当接近90时，力R增大较快。,最简单情况是上臂垂直下垂，前臂屈曲90，此时肌力Fm几乎与前臂轴线垂直，则依杠杆原理有,FmdMGdG0如已知 dM0.05m，dG=0.13m G=20N（前臂及手重），计算得 Fm52N肘关节反作用力垂直向下为TFmG32N,FmsindM+GcosdG+QcosdL=0待入数据Fmsin450.05+15cos450.15+50cos450.350
32、 Fm=395N 计算得 TxFmcos+Gsin+Qsin 395cos45+15sin45+50sin45 233.3N(与假设方向相反) TyFmsinGcosQcos 395sin4515cos4550cos45 =2333N T330N 45,=45,伸肘时肘关节反力,假设病人用手杖时，前臂屈曲30角，手杖反力为Fc150N，此时手臂不是屈曲力而是伸直力，也就是肱三头肌力Fm起主要作用。,病人用手杖时，作用在肘关节上的力应如何?,假设l1=3cm，l2=36cm。依对肘关节转动中心之力矩平衡，有： FmdM-Fcdc=0 Fml1cos60-Fcl2cos60=0 Fm0.03cos
33、60-1500.36cos60=0 得 Fm1800N 关节反力 TFmFc=1800+150=1950N,取前臂及手为研究对象，则力学模型如图。,第六节 踝关节,踝关节复合体包括胫距关节、腓距关节和远侧胫腓关节,一、运动学,在矢状面上踝关节的全范围运动为45，背屈为1020，跖屈为2535，这可随人的年龄而异。,后跟着地时，踝有一些跖屈。待足放平，跖屈将增加，但运动很快转为背屈，身体移至支持足上。待站立相后期后跟离地后，运动回复到跖屈；在摆动相开始，足趾离地时，踝处于跖屈位；在摆动中期，运动返回至背屈；在后跟着地时，踝再转至微跖屈位。从后跟着地至足放平，跖屈幅度取决于鞋跟的高度。 鞋跟越高，
34、跖屈也越大。在步态周期内，鞋跟加高，踝关节的总的运动量将减小。,在正常踝关节内，关节面在运动开始时有一定分离，然后发生移动。关节面相互卡住后，运动停止，在相反活动时，开始时挤压面被拉开，在整个活动范围内显示滑动，然后再卡住。很可能在运动结束时，胫距关节面所发生的拉开和卡住，是关节润滑的重要作用。,从完全跖屈位至完全背屈位，正常踝关节的胫距关节面运动的即刻中心行径的示意图所有即刻中心均在距骨内，接触点变位的方向表现在运动开始时(点1和点2)被拉开，然后再滑移(点3和点4),二、动力学静态分析,当两足站立时，每一个踝关节几乎支持体重的一半。身体的重力线通过踝关节横轴前的数厘米处，所以体重将在关节上
35、产生背屈转矩，这就需要有一定跖屈肌活动。当这些肌肉和小腿的其他肌肉在平衡人体时，踝关节的关节反应力的增加和需用这些平衡活动的肌力将成正比。,在胫骨受压力时，踝关成一不稳定结构(图a)，为了保持其稳定小腿前群肌肉及后群肌肉形成一稳定力系(图b)。正如为了使旗杆稳定一样，两边要用绳索牵牢(图c)。很明显由于要维持稳定就增加了在距骨上的压力。,例如在身体向前倾时，重心前移，如体重为600N，在每一足上承受300N，精确应是体重减去两足重，但其所占比例很小，故可忽略。,如G=300N，dG=0.02m，dM=0.03m 则Fm200N如粗略认为Fm，G平行，则作用在距骨上之反力为 T=Fm+G=200
36、+300=500N =56体重,根据力的平衡：,GdGFmdM0,G,FmdMRdR 0,设R=600N，利用三角形，如已知肌力Fm之方向并延长与R力线交于一点。平面三力平衡必交汇于一点，故踝关节力T必通过这交点。利用图解法可求出Fm900N和T1440N,a代表正常人和踝关节置换术前后在站立相时的踝关节反应力的挤压部分。 b代表a组病人和正常人的剪切力,正常人于行走时，穿越踝关节的主要挤压力来自腓肠肌和比目鱼肌的收缩，经跟腱向下传导。 胫骨前肌收缩所产生的力只作用于站立相早期，而且很轻(小于体重的20)。在站立相后期，跟腱力很大，启动离地足的跖屈。这时在关节上的挤压力最大，约为体重的5倍(图
37、a)。在后跟离地的站立相后期，剪切力最大，约为体重的0.8倍。 患病踝关节的挤压力较小，约为体重的3倍(图a)。力的顶峰出现比正常人早，剪切力也低（图b）,二、动力学动态分析,快速时可以有两个顶峰力，为体重的35倍，一个出现于站立相早期，一个出现于站立相后期。慢速时只出现一个顶峰力，在站立相后期，约为体重的5倍。,Stauffer等的研究显示正常人的两种行速对踝关节反应力的作用。两种速度的模式可以不同，但顶峰力的幅度则相等。,第七节 人工关节置换的力学效应,人工髋关节置换的力学效应,（一）正常髋关节的应力,双足站立、单足站立、行走,股骨头及髋臼主要承受压应力。在髋臼关节面，压应力从髋臼的凹面向
38、外放散，而在股骨头则正好相反，由凸面呈放射状向内传递。因为R与股骨颈的轴线不平行，所以在股骨颈和股骨干的应力分布情况也有变化(图a)。在已经形成的弯矩作用下，其应力分布在股骨颈内下方是压应力，在股骨颈外上方则是张应力(图b)。弯矩增大时，这些应力随着从关节向须基底发展而增大。因合力的一个分力仍然沿着颈轴的方向，注意整个股骨颈还承受着一定的压应力(图c)。这种压应力加大了股骨颈内下方原有弯应力的分压力，减少了颈外上方的张应力(图d)。,（二）全髋关节置换后的应力分布,全髋关节置换后的应力分布形式有以下三种：第一，由关节面产生的剪力已不容忽视，而且产生转矩，能松动与骨相连的假体。第二，假体和骨间接
39、触面的大小和位置对于发生应力的大小和类型有决定性作用。第三，组成置换物的材料有不同的弹性系数，因而能改变所生应力和应变之间的关系。,假如置换的髋关节假体是股骨头和髋臼间的完全接触，则关节面发生的正常力仍然同样是压力形式，集中在股骨头。 由于假体不如骨那样顺应、髋臼部件对分布给它传递应力的能力也较小。与正常骨性髋臼相比，在杯上方的压应力大于正常，而在杯内侧的压应力则小于正常。,假如股骨头部件接触髋臼部件的中部，髋臼就不承受重大弯曲力，但是由髋关节运动产生的关节合力更多地趋向于作用在髋臼部件的边缘而促使它弯曲(图)。在髋臼部件内产生的应变能促使松动。,假如力通过小的中心接触面传递(股骨头的直径小于
40、髋臼的直径)，由于力相同，但接触面减少，上面所述的表面压应力就增加(图b)；杯内的应力形式和完全接触者相似，但所受的力更大。 假如力通过位于球形头周边的马蹄形环状接触面传递，那么在接触面上产生的局部应力也增加 (图c)。,不论是表面的局部接触应力或杯内的全部应力，对假体的效应不能单纯看作是静止的和不变的。因为关节力之大小有间歇性改变，而且所产生的合力向量也随着关节的运动不断改变其位置，在材料内发生的应力和应变的大小及形式也在不断变化。 在设计时任何假体要考虑的另一个问题是植人材料、骨粘固剂和骨的疲劳寿命。,(三)髋臼假体的应力分布及关节剪力,除关节以外，髋臼也承受和传递关节面产生的剪力。低摩擦
41、的假体不像正常关节软骨覆盖着的关节那样几乎没有摩擦阻力，它的摩擦系数要比正常关节大4050倍。此摩擦阻力在关节间隙产生剪力。虽然这些剪力比已经存在的压力小得多，但在考虑关节置换的机械效用时，必须包括它们。 髋臼部件上的剪刀影响邻近关节材料的接触应力及整个材料的应力分布形式。,由于邻近关节面的剪力垂直于压力，这种剪力能改变合应力的角度，而此合应力决定运动的方向。受压的材料在一个方向必然变形而产生张应力和应变。如果剪力够大时，在运动方向受压的材料就向剪力方向移动。,经过一段时间后再测量用过的聚乙烯髋臼部件，可以发现材料表面已变形。此变形发生很慢，可以称作“蠕变”或“冷流动”。此现象只见于能塑形或可变形的材料。压力最大的部位变薄，压应力最小的部位积聚。如果材料不是那样能够变形，或者力作用的速度够快，则张应变使材料折断而不是单纯变形。一些多酯和陶瓷髋臼部件的折断就是如此。,
